Наука о растениях с изюминкой — Источник

От ипомеи, поднимающейся по столбам забора, до виноградных лоз, вьющихся сквозь беседки, искривленный рост — это инструмент решения проблем, который можно найти во всем царстве растений. Корни все время «скручиваются», сильно наклоняясь вправо или влево, чтобы избежать камней и другого мусора.

Ученым давно известно, что мутации в определенных генах, влияющие на микротрубочки в растениях, могут привести к извилистому росту растений. В большинстве случаев это «нулевые мутации», то есть скручивание часто является следствием отсутствия определенного гена.

Это до сих пор остается загадкой для ученых-растений, таких как Рам Диксит, профессор биологии Джорджа и Чармейн Маллинкродт в Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Отсутствие гена должно вызывать у растений множество других проблем, однако искаженный рост — невероятно распространенная эволюционная адаптация.

Диксит с помощью своей бывшей аспирантки Наташи Нолан и Гая Генина из инженерной школы Вашингтонского университета Маккелви нашел возможный ответ, который сейчас опубликован в журнале Природные коммуникации.

Как оказалось, для этого поворота не нужна полная нулевая мутация, достаточно лишь изменить экспрессию генов в определенном месте — эпидермисе растения.

«Это может объяснить, почему это так широко распространено: вам не нужны нулевые мутации для этой привычки роста, вам просто нужны способы настройки определенных генов только в эпидермисе», — сказал Диксит, который также является заведующим кафедрой биологии в Arts & Sciences.

Исследование проведено Национальным научным фондом науки и технологий. Центр инженерной механобиологии (CEMB)общенационального консорциума, возглавляемого WashU, который объединяет биологов, инженеров и физиков, чтобы понять, как физические силы формируют живые системы.

«Это открытие является прекрасным примером того, для чего был предназначен наш центр», — сказал Генин, профессор машиностроения Гарольда и Кэтлин Фаут и содиректор CEMB. «Объединив биологические эксперименты с механическим моделированием, мы открыли фундаментальный принцип: внешний слой корня доминирует в его скручивающем свойстве посредством той же самой физики скручивания (скручивания под действием приложенного крутящего момента), которая объясняет, почему полые трубки могут быть почти такими же прочными, как сплошные стержни. Геометрия имеет огромное значение».

Кормление меняющегося мира

Помимо эволюционного любопытства, понимание того, как корни перемещаются по почве, является более актуальным, чем когда-либо. Поскольку изменение климата усиливает засухи и вынуждает сельское хозяйство переходить на малоплодородные земли с каменистыми, уплотненными почвами, культуры с корневой системой, способной расти в сложных условиях, становятся острой потребностью.

«Корни — это скрытая половина сельского хозяйства», — сказал Чарльз Андерсон, профессор биологии и руководитель CEMB в Университете штата Пенсильвания и соавтор статьи.

«Способность растения находить воду и питательные вещества полностью зависит от того, как его корни исследуют почву. Если мы сможем понять, как корни скручиваются и преодолевают препятствия, мы сможем помочь сельскохозяйственным культурам выжить там, где они в настоящее время не могут».

Искаженный рост также играет роль в том, как виноградные лозы поднимаются, как стебли противостоят ветру и как растения защищаются от эрозии — факторы, которые имеют решающее значение как для продовольственной безопасности, так и для устойчивости экосистемы.

Разгадка тайны

Используя модельную растительную систему, корни которой могут наклоняться вправо или влево, Нолан попытался выяснить, какие слои растительных клеток регулируют скручивание.

Растительные клетки жестко закреплены на месте, почти склеены и окружены прочной клеточной стенкой. Команда предположила, что изгибы возникают во внутреннем корковом слое, где мутация приводит к тому, что клетки становятся короткими и широкими, а не длинными и тонкими. Считалось, что скручивающие фенотипы возникают потому, что эпидермальный слой должен «наклоняться», чтобы сохранить свою структурную целостность и достичь своих приземистых соседей из коркового слоя.

Нолан, который сейчас работает в Pivot Bio, хотел посмотреть, смогут ли они восстановить прямые корни, экспрессируя ген дикого типа специфичным для клеточного слоя способом, а не по всему корню, как это делалось ранее.

Поразительное открытие заключалось в том, что если бы они экспрессировали этот ген дикого типа (который сохраняет корень прямым) в любом из внутренних слоев клеток, то эти растения все равно выглядели бы точно так же, как нулевой извилистый мутант. «Не имело значения, что теперь этот белок вырабатывается в некоторых внутренних слоях клеток, его как будто не существовало», — сказал Диксит.

Напротив, когда ген дикого типа экспрессировался только в эпидермисе, корни шли прямо. Это подсказало исследователям, что «доминирующим клеточным слоем, который действительно диктует такое поведение, является эпидермис», — сказал Диксит.

Тайна раскрыта, эпидермис берет верх. Но как? Именно здесь на помощь пришли механобиологи, в том числе соавторы Генин и Андерсон.

Лаборатория Андерсона измерила ориентацию микрофибрилл целлюлозы в корнях мутантов и дикого типа. Извилистые дефекты, похоже, изменяют отложение целлюлозы, и Генин взял эти данные и создал компьютерную модель, объясняющую, почему доминирует эпидермис.

«Когда у вас есть концентрические слои клеток, как кольца в стволе дерева, внешнее кольцо имеет гораздо больше рычагов воздействия на всю структуру, чем внутренние кольца», — объяснил Генин. «Наша модель показала, что если только эпидермис имеет перекошенные клеточные файлы, это может вызвать около одной трети общего скручивания, которое вы могли бы увидеть, если бы каждый слой был перекошенным. Но если вы исправите только эпидермис, весь корень выпрямится. Математика была однозначной: правит внешний слой».

Модель подтвердила то, что Нолан обнаружила в своих экспериментах. Когда она экспрессировала ген дикого типа (прямой корень) только в эпидермисе, это затронуло даже кортикальные клетки, которые все еще несли мутацию. Вместо того, чтобы быть короткими и широкими, эти внутренние клетки стали длиннее и тоньше, почти как у дикого типа.

«Каким-то образом слой эпидермальных клеток способен захватывать внутренние слои клеток», — сказал Диксит. «Эпидермис — это не пассивная кожа, а механический координатор роста всего органа».

Теперь, когда ученые понимают, как растения «делают поворот», они могут применить эти открытия для решения проблем сельскохозяйственной науки.

«Представьте себе, что вы можете создавать растения, которые повышают или уменьшают склонность корней к скручиванию», — сказал Андерсон. «В каменистых, негостеприимных условиях вам могут понадобиться корни, пробивающиеся сквозь препятствия. Это исследование дает нам цель и механическую основу для рассмотрения корневой архитектуры как инженерной проблемы».

«Это такая проблема, которая требует нескольких точек зрения», — добавил Генин.

«Биолог в одиночку мог бы обнаружить, что эпидермис имеет значение, но у него не было бы инструментов, чтобы объяснить, почему. Один инженер не смог бы провести генетику и фенотипирование», — сказал он. «Вместе, как центр, мы получили полную картину».

Нолан Н., Джаафар Л., Фан Ю. и др. Эпидермис координирует нарушение многомасштабной симметрии при хиральном росте корней. Нац Коммун 16, 11022 (2025).

Эта работа была поддержана Центром инженерной механобиологии, Научно-техническим центром Национального научного фонда в рамках грантового соглашения CMMI: 15-48571 (CTA, GMG и RD) и Национальным институтом общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения под номером награды R35GM139552 (RD). NN была поддержана стипендией Уильяма Х. Данфорта в области наук о растениях. Работа JGO поддерживалась Центром структуры и формирования лигноцеллюлозы, энергетическим передовым исследовательским центром, финансируемым Министерством энергетики США, Управлением науки, фундаментальных энергетических наук в рамках премии № DE-SC0001090.